氧氣面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實物仿真系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種氧氣面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實物仿真系統(tǒng)。半實物仿真系統(tǒng)中的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模型、呼氣閥門數(shù)學模型、呼吸數(shù)學模型和面罩呼吸腔數(shù)學模型由PC機中的Matlab平臺實現(xiàn)，分別用來描述肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)、呼氣閥門、呼吸過程和面罩呼吸腔內(nèi)的氣體流量特性。半實物仿真系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)以STM32F407IGT6微處理器為核心，用來運行控制算法。PC機與控制系統(tǒng)通過RS232串口進行通訊。本發(fā)明是氧氣面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)器控制方案開發(fā)過程中對比不同控制算法效率的半實物仿真系統(tǒng)，具有控制算法與應用對象結(jié)構(gòu)靈活、接口通用等優(yōu)點，可提前發(fā)現(xiàn)問題并及時解決，縮短了控制方案的開發(fā)周期，節(jié)約成本。
【專利說明】
氧氣面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實物仿真系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于航空器個人防護領(lǐng)域，涉及對供氧實驗系統(tǒng)的改進，具體為氧氣面罩 呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實物仿真。
【背景技術(shù)】
[0002] 供氧系統(tǒng)的作用是預防高空缺氧、低氣壓效應引起的不良生理反應。面罩呼吸腔 壓力調(diào)節(jié)器是供氧系統(tǒng)的關(guān)鍵控制器，它可以隨環(huán)境壓力和使用者呼吸的變化，供給使用 者一定壓力、流量和含氧濃度的混合氣或純氧。
[0003] 面罩呼吸腔內(nèi)的壓力變化反映了呼吸腔壓力調(diào)節(jié)器的性能，吸氣時，若面罩呼吸 腔內(nèi)負壓越大使用者的吸氣阻力越大，并且若面罩與使用者面部貼合不嚴密，外部低壓空 氣將灌入面罩呼吸腔，造成缺氧。呼氣時面罩呼吸腔內(nèi)正壓越大使用者的呼氣阻力越大，其 與使用者肺通氣量、呼氣閥門特性等有關(guān)。
[0004] 因此，控制方案的設(shè)計是面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)器的關(guān)鍵。在控制方案開發(fā)過程中， 若使用實際調(diào)試平臺，當模擬肺吸氣，若肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)不起作用，富氧空氣或純氧將不會 進入面罩呼吸腔，面罩呼吸腔內(nèi)將產(chǎn)生很大的負壓，選擇的差壓傳感器量程過小會損壞傳 感器，量程過大則測量誤差也隨之增大，造成測量不準確，降低了呼吸腔壓力調(diào)節(jié)器的性 能。另外，控制算法和肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)有很多種，每種控制算法和肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)都會造成 呼吸腔壓力調(diào)節(jié)器性能上的差異。因此，控制方案開發(fā)過程中存在成本高、開發(fā)周期長的問 題。
[0005] 目前普遍使用的研究方式是在PC機中利用具體供氧調(diào)試平臺的數(shù)學模型來完成 對呼吸腔壓力調(diào)節(jié)器的設(shè)計并通過一些變量來比較不同控制算法的性能。然而純粹的仿真 實驗與實際控制過程存在一定差距，算法的應用會受到一定的限制，仿真實驗對于實際控 制將無參考價值。
[0006] 為了能在呼吸腔壓力調(diào)節(jié)器控制方案開發(fā)過程中對比多種控制算法和多種肺式 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的效率，期望有一種開發(fā)周期短，節(jié)約成本，模擬實際供氧過程的實驗方法及系 統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明目的是克服呼吸腔壓力調(diào)節(jié)器控制方案開發(fā)過程帶來的上述問題，提供了 一種氧氣面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實物仿真系統(tǒng)。
[0008] 本發(fā)明提供的氧氣面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實物仿真系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)、肺式調(diào) 節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模型、呼氣閥門數(shù)學模型、呼吸數(shù)學模型和面罩呼吸腔數(shù)學模型;所述的肺式 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模型、呼氣閥門數(shù)學模型、呼吸數(shù)學模型和面罩呼吸腔數(shù)學模型由PC機中 的Matlab平臺實現(xiàn)，分別用來描述肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)、呼氣閥門、呼吸過程和面罩呼吸腔內(nèi)的 氣體流量特性;所述的控制系統(tǒng)以STM32F407IGT6微處理器為核心，用來運行控制算法。所 述的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模型、呼氣閥門數(shù)學模型和呼吸數(shù)學模型分別連接面罩呼吸腔數(shù) 學模型，PC機中的面罩呼吸腔數(shù)學模型將解算出的系統(tǒng)輸出信號通過RS232串口傳遞給控 制系統(tǒng)來解算控制信號，所述的控制系統(tǒng)同時將解算出的控制信號通過RS232串口傳遞給 PC機中的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模型來解算系統(tǒng)輸出。半實物仿真系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
[0009] 所述的面罩呼吸腔數(shù)學模型具體描述為：
[0010]
νν) 'αν
[0011]其中，（·）'為對時間求導算子，Ρ為面罩呼吸腔內(nèi)氣體絕對壓力，R為氣體常數(shù)，Τ 為面罩呼吸腔內(nèi)氣體溫度，GP為肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模型輸出，為呼氣閥門數(shù)學模型輸 出，Qb為呼吸數(shù)學模型輸出，V為面罩呼吸腔與肺內(nèi)的氣體體積之和。
[0012] 所述的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模型用GP(t) = f((u))來描述，其中，u為實施于肺式 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)上的控制信號，f為u的函數(shù)，f的具體形式由應用對象中的具體肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu) 決定。
[0013] 所述的呼吸數(shù)學模型具體描述為：
[0014]
[0015] 其中，n為肺呼吸頻率，Vi為肺潮氣量。[0016] 所述的呼氣閥門數(shù)學模型具體描述為：
[0017]
[0018]
[0019] 其中，Pa為面罩呼吸腔外氣體絕對壓力，cU為呼氣閥門直徑，為呼氣閥門中彈簧 剛度，Uo和U分別為呼氣閥門中彈簧預壓縮量和壓縮量，μ為流量系數(shù)，ko為氣體絕熱指數(shù)， g為重力加速度。
[0020] 本發(fā)明同時提供了一種實現(xiàn)所述的氧氣面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實物仿真系統(tǒng)的 模擬供氧系統(tǒng)調(diào)試平臺，該調(diào)試平臺包括所述的控制系統(tǒng);所述的控制系統(tǒng)通過控制量輸 出信號線與肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模型對應的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)連接，用于使肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu) 有一定開度；同時通過反饋信號線連接面罩呼吸腔數(shù)學模型對應的差壓傳感器;控制系統(tǒng) 根據(jù)差壓傳感器的反饋信號及壓差設(shè)定值產(chǎn)生控制信號；電源用于為控制系統(tǒng)供電；參見 圖2;
[0021] 所述的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)包括:用于產(chǎn)生拉力的動力裝置，密閉彈簧，肺式閥門板和 密封圈；所述肺式閥門板和密封圈配合，用于在無電信號時通過密閉彈簧將肺式閥門板緊 壓在密封圈上，使閥門完全關(guān)閉；動力裝置通過控制量輸出信號線傳送的電信號產(chǎn)生拉力， 克服密閉彈簧的彈力，將肺式閥門板從密封圈上提起，使閥門有一定開度;穩(wěn)壓氣源通過氣 路與肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)中密封圈的入口相連；
[0022] 與所述的呼氣閥門數(shù)學模型對應的呼氣閥門設(shè)置在面罩上，呼氣閥門與面罩之間 通過彈簧設(shè)置有一個呼氣閥門門板;呼氣閥門用于排出模擬肺呼出的二氧化碳，面罩內(nèi)外 的壓力差克服彈簧的作用，將呼氣閥門門板打開，氣體排出。
[0023] 與所述的呼吸數(shù)學模型對應的是面罩內(nèi)形成的呼吸腔內(nèi)的吸氣作用和呼氣作用。
[0024] 與所述的面罩呼吸腔數(shù)學模型對應的差壓傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集過程，差壓傳感器 設(shè)置在比例流量閥與面罩之間的氣路中，面罩與氣路之間同時設(shè)置有一個吸氣閥，差壓傳 感器用于測量面罩內(nèi)形成的呼吸腔內(nèi)外壓力差。
[0025]所述的控制系統(tǒng)以ARM微處理器為核心，兼容性強，置入其中的控制算法可以任意 更換，比如公知的PID(Proportional Integral Deri vat ive)控制算法、ADRC( Active Disturbance Rejection Control)算法等，通過實時顯示在PC機上的面罩呼吸腔壓力動態(tài) 曲線來驗證不同控制算法的效率，縮短控制方案的開發(fā)周期。
[0026] 所述的半實物仿真系統(tǒng)中肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模型可以針對不同的肺式調(diào)節(jié)閥 結(jié)構(gòu)（比例流量閥、以步進電機為動力裝置的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)、以音圈電機為動力裝置的肺 式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu))進行更換，不影響其他部分的功能，具有應用對象結(jié)構(gòu)靈活的特點。
[0027] 本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果：
[0028] 1)肺的呼吸作用通過PC機構(gòu)建的仿真數(shù)學模型描述，肺通氣量可以被設(shè)置為隨時 變化，以高度逼近真實的呼吸過程。
[0029] 2)置入控制系統(tǒng)中的控制算法可以任意更換，通過實時顯示在PC機上的面罩呼吸 腔壓力動態(tài)曲線來驗證不同控制算法的效率，縮短控制方案的開發(fā)周期。
[0030] 3)以肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)采用比例流量閥、控制算法采用ADRC算法的模擬供氧系統(tǒng)調(diào) 試平臺為例，將本發(fā)明中的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模型具體替換為比例流量閥數(shù)學模型，其 余參數(shù)根據(jù)調(diào)試平臺確定，對比面罩呼吸腔壓力動態(tài)曲線，從實驗結(jié)果看到，使用本發(fā)明得 到的動態(tài)曲線與調(diào)試平臺采樣得到的動態(tài)曲線誤差較小，半實物仿真結(jié)果對于調(diào)試平臺的 控制方案開發(fā)有一定參考價值。
【附圖說明】
[0031 ]圖1為面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖。
[0032]圖2為半實物仿真系統(tǒng)所描述的實際調(diào)試平臺結(jié)構(gòu)示意圖，
[0033]圖中，1-穩(wěn)壓氣源，2-氣路，3-密封圈，4-肺式閥門板，5-密閉彈簧，6-動力裝置，7-面罩，8-呼吸腔，9-呼氣閥門，10-彈簧，11 -呼氣閥門門板，12-吸氣閥，13-吸氣過程，14-呼 氣過程，15-模擬肺，16-差壓傳感器，17-反饋信號線，18-控制系統(tǒng)，19-電源，20-電源線 (負），21_電源線(正），22_控制量輸出信號線，23-肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)。
[0034]圖3為以比例流量閥作為肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的實際調(diào)試平臺結(jié)構(gòu)示意圖，
[0035]圖中，24-鐵芯，26-螺線管，27-比例流量閥。
[0036]圖4為以比例流量閥作為肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)，采用ADRC算法，模擬肺呼吸頻率固定為 20(cyCle/min)時面罩呼吸腔數(shù)學模型計算和差壓傳感器16采集的面罩呼吸腔內(nèi)壓力變化 對比曲線。
[0037] 圖5為通信過程框圖。
【具體實施方式】：
[0038] 本發(fā)明具有控制算法與應用對象結(jié)構(gòu)靈活、通訊接口通用的特點。為了說明使用 本發(fā)明得到的半實物仿真結(jié)果能夠為具體供氧系統(tǒng)調(diào)試平臺的控制方案開發(fā)提供一定參 考價值，本示例中針對其中一種應用對象進行實驗驗證。示例中，應用對象為以比例流量閥 為具體肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的模擬供氧系統(tǒng)調(diào)試平臺（圖3)，則半實物仿真系統(tǒng)中肺式調(diào)節(jié)閥 結(jié)構(gòu)數(shù)學模型被比例流量閥數(shù)學模型代替，比例流量閥數(shù)學模型、呼氣閥門數(shù)學模型和呼 吸數(shù)學模型的參數(shù)根據(jù)調(diào)試平臺確定，控制算法采用公知的ADRC算法，對比半實物仿真和 調(diào)試平臺得到的面罩呼吸腔壓力動態(tài)曲線。若圖2所示的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)采用其他形式，如 以步進電機為動力裝置的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)、以音圈電機為動力裝置的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)，使 用本發(fā)明時只需將半實物仿真系統(tǒng)中肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模型用具體數(shù)學模型代替即可。 [0039] 一、面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實物仿真系統(tǒng)
[0040]結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示，它包括控制系統(tǒng)、肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模型、呼氣閥門 數(shù)學模型、呼吸數(shù)學模型和面罩呼吸腔數(shù)學模型;所述的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模型、呼氣閥 門數(shù)學模型、呼吸數(shù)學模型和面罩呼吸腔數(shù)學模型由PC機中的Matlab平臺實現(xiàn)，分別用來 描述肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)、呼氣閥門、呼吸過程和面罩呼吸腔內(nèi)的氣體流量特性;所述的控制系 統(tǒng)以STM32F407IGT6微處理器為核心，用來運行控制算法。所述的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模 型、呼氣閥門數(shù)學模型和呼吸數(shù)學模型分別連接面罩呼吸腔數(shù)學模型，PC機中的面罩呼吸 腔數(shù)學模型將解算出的系統(tǒng)輸出信號通過RS232串口傳遞給控制系統(tǒng)來解算控制信號，所 述的控制系統(tǒng)同時將解算出的控制信號通過RS232串口傳遞給PC機中的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù) 學模型來解算系統(tǒng)輸出。
[0041 ]所述的面罩呼吸腔數(shù)學模型具體描述為：
[0042]
[0043]其中，（· V為對時間求導算子，P為面罩呼吸腔內(nèi)氣體絕對壓力，R = 287(J/kg*K) 為氣體常數(shù)，T = 293.15(K)為面罩呼吸腔內(nèi)氣體溫度，GP為肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模型輸出， 匕為呼氣閥門數(shù)學模型輸出，Qb為呼吸數(shù)學模型輸出，v為面罩呼吸腔與肺內(nèi)的氣體體積之 和。
[0044]肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模型（比例流量閥數(shù)學模型)具體描述為：
[0045]
[0046] 其中，比例流量閥選型為Duray DFCV33-05，u為施加到比例流量閥上的實時控制 信號，Tv=0.04為比例流量閥慣性時間常數(shù)，a = 0.0087，b = -0.0041。
[0047] 呼吸數(shù)學模型具體描述為：
[0048]
[0049] 其中，11 = 20(〇5^16/111；[11)為肺呼吸頻率，'\^=1(1705^16)為肺潮氣量。
[0051]
[0050] 呼氣閥門數(shù)學模型具體描述為：
[0052]
[0053] 其中，Pa=1.01*105(Pa)為面罩呼吸腔外氣體絕對壓力，d e = 2*10-2(m)為呼氣閥門 直徑，K^MN/m)為呼氣閥門中彈簧剛度，U〇=l*l(T3(m)和U分別為呼氣閥門中彈簧預壓 縮量和壓縮量，〇<L e<4*l(T3(m)，μ = 0.61為流量系數(shù)，ko=l .4為氣體絕熱指數(shù)，g = 9.8 (N/kg)為重力加速度。
[0054]二、模擬供氧系統(tǒng)調(diào)試平臺
[0055] 以比例流量閥作為具體肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的模擬供氧系統(tǒng)調(diào)試平臺結(jié)構(gòu)示意圖如 圖3所示。
[0056] 所述的比例流量閥數(shù)學模型對應的是比例流量閥27的流量特性，呼氣閥門數(shù)學模 型對應的是呼氣閥門9的流量特性，呼吸數(shù)學模型對應的是吸氣作用13和呼氣作用14,面罩 呼吸腔數(shù)學模型對應的是差壓傳感器16的數(shù)據(jù)采集過程。
[0057]所述的控制系統(tǒng)18通過控制量輸出信號線22與比例流量閥27連接;同時控制系統(tǒng) 18通過反饋信號線17連接差壓傳感器16;控制系統(tǒng)18根據(jù)差壓傳感器16的反饋信號及壓差 設(shè)定值產(chǎn)生控制信號，并對比例流量閥27進行控制，用于使比例流量閥有一定開度;電源19 用于為控制系統(tǒng)18供電；
[0058]所述的比例流量閥27由螺線管26、密閉彈簧5、鐵芯24、密封圈3和接收控制信號的 控制量輸出信號線22組成，控制量輸出信號線22與螺線管26連接。所述鐵芯24和密封圈3配 合，用于在無電信號時通過密閉彈簧5將鐵芯緊壓在密封圈上，使閥門完全關(guān)閉，所述螺線 管26通過控制量輸出信號線22傳送的電信號產(chǎn)生電磁力，克服密閉彈簧5的彈力，將鐵芯24 從密封圈3上提起，使閥門有一定開度，穩(wěn)壓氣源1通過氣路2與比例流量閥中密封圈3的入 口相連。
[0059] 呼氣閥門9設(shè)置在面罩7上，呼氣閥門9與面罩7之間通過彈簧10設(shè)置有一個呼氣閥 門門板11。呼氣閥門用于排出模擬肺15呼出的二氧化碳，面罩內(nèi)外的壓力差克服彈簧作用， 將呼氣閥門門板打開，氣體排出。
[0060] 所述的差壓傳感器16設(shè)置在比例流量閥27與面罩7之間的氣路2中，面罩與氣路之 間同時設(shè)置有一個吸氣閥12,差壓傳感器用于測量面罩內(nèi)形成的呼吸腔內(nèi)外壓力差。
[0061 ]三、半實物仿真過程如下：
[0062]控制系統(tǒng)18中預先置入設(shè)計好的ADRC算法和設(shè)定壓力值OkPa，以10ms的采樣周期 通過RS232串口接收位于PC機的面罩呼吸腔數(shù)學模型所計算出的面罩呼吸腔內(nèi)外壓力差， ADRC算法根據(jù)采樣到的壓力差和設(shè)定壓力值解算出控制量?？刂葡到y(tǒng)18得到的控制信號以 10ms的控制周期通過RS232串口輸出至比例流量閥數(shù)學模型，從而影響面罩呼吸腔數(shù)學模 型的輸出，面罩呼吸腔數(shù)學模型計算出面罩呼吸腔內(nèi)外壓差并形成動態(tài)壓力曲線，這些動 態(tài)壓力值模擬了差壓傳感器的信號采集過程，并將面罩呼吸腔內(nèi)外壓力差通過RS232串口 傳送至控制系統(tǒng)，供置入到控制系統(tǒng)中的面罩壓力調(diào)節(jié)控制算法解算控制量，實現(xiàn)對面罩 呼吸腔內(nèi)壓力的控制。
[0063]圖4為PC機上實時顯示的模擬肺潮氣量為l(L/CyCle)、呼吸頻率固定為20(cy Cle/ min)，以比例流量閥作為肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)，采用ADRC算法時，半實物仿真系統(tǒng)得到和差壓傳 感器采集到的面罩呼吸腔內(nèi)壓力變化曲線對比。
[0064]控制系統(tǒng)中使用中斷式進行串口通信，配置步驟如下：
[0065] a)GPI0串口復用初始化；
[0066] b)USART(串口）初始化；
[0067] c)NVIC(中斷向量)初始化；
[0068] d)利用sprintf()函數(shù)將浮點型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成文本后發(fā)送，將接收到的文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換成浮點型參與運算；
[0069] Mat lab平臺中對串口的設(shè)置分為四個步驟：
[0070] (1)創(chuàng)建串口設(shè)備對象并設(shè)置其屬性，包括串口號、波特率、奇偶校驗位、停止位、 緩沖區(qū)屬性的設(shè)置，相應指令為：
[0071 ] scom = serial(，COM4，，'BaudRate，，115200，'Parity，，'none，，'DataBits，，8，' StopBits', 1)；
[0072] (2)利用函數(shù)f〇pen(SC〇m)打開串口設(shè)備；
[0073] (3)sprintf 〇函數(shù)將浮點型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成文本后利用fscanf 〇函數(shù)實現(xiàn)讀操作，將 接收到的文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成浮點型后利用fprintfO函數(shù)進行寫操作；
[0074] (4)fclose(scom)函數(shù)關(guān)閉串口設(shè)備對象，delete(scom)函數(shù)刪除內(nèi)存中的串口 設(shè)備對象，clear scorn清除工作空間中的串口設(shè)備對象。
[0075] 通過半實物仿真實驗結(jié)果和實際調(diào)試平臺實驗結(jié)果對比可以看出，所發(fā)明的氧氣 面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實物仿真系統(tǒng)可以根據(jù)選用的應用對象結(jié)構(gòu)和控制算法，逼近實際 調(diào)試平臺，為實際調(diào)試平臺的控制方案設(shè)計提供一定的參考價值，節(jié)約成本，縮短開發(fā)周 期。
【主權(quán)項】
1. 一種氧氣面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實物仿真系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、 肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模型、呼氣閥口數(shù)學模型、呼吸數(shù)學模型和面罩呼吸腔數(shù)學模型;所述 的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模型、呼氣閥口數(shù)學模型、呼吸數(shù)學模型和面罩呼吸腔數(shù)學模型由 PC機中的Matlab平臺實現(xiàn)，分別用來描述肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)、呼氣閥口、呼吸過程和面罩呼吸 腔內(nèi)的氣體流量特性;所述的控制系統(tǒng)WARM微處理器為核屯、，用來運行控制算法;所述的 肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模型、呼氣閥口數(shù)學模型和呼吸數(shù)學模型分別連接面罩呼吸腔數(shù)學模 型，PC機中的面罩呼吸腔數(shù)學模型將解算出的系統(tǒng)輸出信號通過RS232串口傳遞給控制系 統(tǒng)來解算控制信號，所述的控制系統(tǒng)同時將解算出的控制信號通過RS232串口傳遞給PC機 中的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模型來解算系統(tǒng)輸出； 所述的面罩呼吸腔數(shù)學模型具體描述為：其中，（· r為對時間求導算子，P為面罩呼吸腔內(nèi)氣體絕對壓力，R為氣體常數(shù)，T為面 罩呼吸腔內(nèi)氣體溫度，Gp為肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模型輸出，Ge為呼氣閥口數(shù)學模型輸出，Qb 為呼吸數(shù)學模型輸出，V為面罩呼吸腔與肺內(nèi)的氣體體積之和； 所述的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模型用Gp(t) = f((u))來描述，其中，U為實施于肺式調(diào)節(jié)閥 結(jié)構(gòu)的控制信號，f為U的函數(shù)，f的具體形式由應用對象中的具體肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)決定； 所述的呼吸數(shù)學模型具體描述為：其中，η為肺呼吸頻率，Vi為肺潮氣量； 所述的呼氣閥口數(shù)學模型具體描述為：其中，Pa為面罩呼吸腔外氣體絕對壓力，de為呼氣閥口直徑，Ke為呼氣閥口中彈黃剛度， Leo和Le分別為呼氣閥口中彈黃預壓縮量和壓縮量，μ為流量系數(shù)，k日為氣體絕熱指數(shù)，g為重 力加速度。 所述的控制系統(tǒng)WARM微處理器為核屯、，兼容性強，置入其中的控制算法可W任意更 換，通過實時顯示在PC機上的面罩呼吸腔壓力動態(tài)曲線來驗證不同控制算法的效率，縮短 了氧氣面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)器控制方案的開發(fā)周期； 所述的半實物仿真系統(tǒng)中肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模型可w針對不同的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu) 進行更換，不影響其他部分的功能，具有應用對象結(jié)構(gòu)靈活的特點。2.-種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述的氧氣面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實物仿真系統(tǒng)的模擬供氧系 統(tǒng)調(diào)試平臺，其特征在于該調(diào)試平臺包括所述的控制系統(tǒng)（18)，所述的控制系統(tǒng)（18)通過 控制量輸出信號線(22)與肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學模型對應的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)(23)連接，用于 使肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)有一定開度；同時通過反饋信號線（17)連接面罩呼吸腔數(shù)學模型對應的 差壓傳感器(16);控制系統(tǒng)（18)根據(jù)差壓傳感器(16)的反饋信號及壓差設(shè)定值產(chǎn)生控制信 號；電源(19)用于為控制系統(tǒng)（18)供電； 所述的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)(23)包括:用于產(chǎn)生拉力的動力裝置(6)，密閉彈黃(5)，肺式閥 口板(4)和密封圈（3);所述肺式閥口板(4)和密封圈（3)配合，用于在無電信號時通過密閉 彈黃(5)將肺式閥口板(4)緊壓在密封圈（3)上，使閥口完全關(guān)閉；動力裝置(6)通過控制量 輸出信號線（22)傳送的電信號產(chǎn)生拉力，克服密閉彈黃(5)的彈力，將肺式閥口板(4)從密 封圈（3)上提起，使閥口有一定開度;穩(wěn)壓氣源（1)通過氣路(2)與肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)中密封圈 (3)的入口相連； 與所述的呼氣閥口數(shù)學模型對應的呼氣閥口（9)設(shè)置在面罩（7)上，呼氣閥口（9)與面 罩(7)之間通過彈黃（10)設(shè)置有一個呼氣閥口口板（11);呼氣閥口（9)用于排出模擬肺呼出 的二氧化碳，面罩(7)內(nèi)外的壓力差克服彈黃（10)的作用，將呼氣閥口口板（11)打開，氣體 排出； 與所述的呼吸數(shù)學模型對應的是面罩(7)內(nèi)形成的呼吸腔(8)內(nèi)的吸氣作用（13)和呼 氣作用（14); 與所述的面罩呼吸腔數(shù)學模型對應的差壓傳感器（16)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集過程，差壓傳感器 (16)設(shè)置在肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)(23)與面罩(7)之間的氣路(2)中，面罩(7)與氣路(2)之間同時 設(shè)置有一個吸氣閥（12)，差壓傳感器（16)用于測量面罩(7)內(nèi)形成的呼吸腔（8)內(nèi)外壓力 差D
【文檔編號】G05B17/02GK105974823SQ201610416727
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月14日
【發(fā)明人】孫青林, 蔣玉新, 張曉雷, 檀盼龍, 孫昊, 羅淑貞, 孫明瑋
【申請人】南開大學